CN103225916B - 工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置 - Google Patents

Abstract

工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置，由工质高位集聚减压空晒保护翅板热管真空集热元件和绝热水箱组成；所述真空集热元件由翅板热管真空集热元件和空晒保护器组成，空晒保护器由热力驱动器件和传热直筒组成，其特征是传热直筒与热管热端底端处采用一维移动副结构低热阻连接；传热直筒可以沿集热元件轴心线方向作伸出缩回前后移动；传热直筒的外端部形状与罩玻璃管尾端内表面相吻合；在热管热端内部含有环形贮液槽状物、短筒吸液芯、细条毛细吸液芯、稀疏芯网工质吸持***件。本发明采用一个小功率空晒保护器就可保证热管内部水蒸汽压力始终不超过2个大气压。采用工质***件使热管启动时间从140分钟缩短至20分钟。

Description

工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置

技术领域

本发明涉及工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置。

背景技术

真空集热管在其罩玻璃管与内玻璃管之间设置真空隔热层，可制造冬季也能提供生活热水的真空太阳能热水器。用热管真空集热管制造的太阳能热水器更具有管内无水能效比高、符合卫生饮用水标准、单管损坏照样工作等优点。因此。管内无水的太阳能真空热管热水器将有可能占领越来越多的市场份额。

采用一体式玻璃热管具有可以与罩玻璃管融封、玻璃热管表面可以直接制作吸收膜传热环节少、可采用热物理性能极佳的水作工质等优点。

但空晒时，集热元件热管内部温度可达230℃，这个温度对应的饱和水蒸汽压为28.53个大气压，对应的工质充装量与热管容积之比即工质容积比为1.1%，即每1升容积有11毫升水。

通过减少工质充装量可以降低空晒时热管内部的压力，以水工质为例：当工质充装量/热管容积率从5毫升/1000毫升时的0.5%降低至2毫升/1000毫升时的0.2%，相应地其最高饱和蒸汽压从180℃的约10个大气压降低至140℃的约3.7个大气压，并且热管内部从140℃约3.7个大气压的最高蒸汽压继续升温至180℃时内部压力仅有4个大气压左右。但有时工质充装量不能仅仅以空晒时的内部压力来决定。对于一支工质充装量/热管容积率为0.2%、内部容积1000毫升、长度2000毫米的热管，如果为了使空晒230℃时内部压力不超过4个大气压，则工质充装量约1.8毫升。问题是所述热管即使为光管结构，在倾斜约45度工作时，冷端的冷凝水、热端的流动水加上85℃水蒸汽的水量0.353毫升之和会远超过1.8毫升。

为了满足热管正常工作而使工质充装量/热管容积率大于0.2%甚至0.3%，并确保玻璃热管不因为空晒而炸管，必须采取空晒保护措施。

中国发明专利2009101951003抗空晒全玻璃真空热管集热元件，披露了一种空晒保护全玻璃真空热管集热元件，由在真空集热元件吸收体和罩玻管之间设置可控传热通道构成，可控传热通道由活动传热件和驱动件组成，其特征在于含有与真空集热元件吸收体低热阻连接的热力换能驱动件。由于这项专利不是专门针对重力热管集热元件的，因而针对性不强；其采用的双金属片热力换能驱动件本来产品的一致性就不好，在多次受热变形后恢复原状的能力又会降低，其所承担的控制***相关的工作点设定、控制变量输入、比较、换能和能量供给以及执行功能因为精度受到影响而远不能正常有效工作到集热元件可能的20年设计寿命。

图2给出一支倾斜安置的光管结构重力热管结构示意图。

图2中，热管1由管壳和内部工质制成。其工作原理为：热能从下方的热端即并排向里的箭头标示处输入，使热管1内部底端处的工质受热汽化，蒸汽在压差的作用下，向上行进到热管冷端即箭头并排向外标示处放出热能供应给负荷并冷凝成液体在重力作用下回流至下面的冷端，在热端工质再次受热汽化……，由此不断循环实现两相流换热循环。热管具有优异的传热能力、热流密度变换能力和等温特性。如果热管1热端输入100瓦，则其冷端输出最高可以达到97瓦甚至更高。

如果试图对图2的热管1仅仅从下面输入热能，而不取走热能，则热管1内部蒸汽压会急剧上升。如果热管1采用水作为工质并且足够多，则在热管1温度达到230℃时，内部最高压力可达28.53个大气压。

如果试图对图2的热管1从上到下全面加热并从下面略高于热管1底端的地方譬如从底端开始的占整个热管1长度3%的一段取出热能，即仅仅令底端往前占热管1总长度3%的部位同时作为重叠冷端，则热管1内部的蒸汽压会降到与下面冷端的温度相对应的饱和蒸汽压。譬如用水作为工质时，保持热管1下面重叠冷端的温度100℃，则即使上面其他部分加热到230℃，因为热管1内部的液态工质都集聚于所述重叠冷端，除所述重叠冷端之外上面的热管1热端由于没有工质补充整个干涸，两相流传热机制不复存在。热管1内部的蒸汽压力也只有约1个大气压。

重叠冷端的一个例子是热管管壁带有吸收膜，吸收太阳光作为热能输入，同时用传热器件低热阻连接所述热管管壁并将热能转移。

这种令热管1倾斜布置、热能从热管1上面输入而只用下面一小段作为重叠冷端的设计在其他场合或许没有什么意义，但用于太阳能集热元件的空晒保护，因为只需要极小一部分散热功率——这部分散热功率用于确保空晒发生时，空晒保护装置开始起作用的初期热管内部蒸汽压的最高值不超过设定值；这部分散热功率还要大于所述重叠冷端作为热端的热能输入功率——因而具有散热器件体积紧凑、性能可靠、散热功率小、对真空隔热层的放气少、对吸收体的遮挡影响小以及可利用集热元件尾端作为散热界面的优点。

可以看到，重叠冷端的面积越小、所述空晒保护器件所需要的散热功率也越小、越有利。实际的集热元件需要尾盒之类的器件进行安置。尾盒会遮盖集热元件的尾端。被尾盒遮盖的部分都不属于重叠冷端。之所以还会用到重叠冷端，是因为有些集热元件空晒保护装置比较适合安装于真空隔热层的筒形段或者，集热元件罩玻璃管带有缩颈段并且是采用在缩颈段形成后装配内玻璃管，然后再对罩玻璃管圆封拉尾管简称后拉尾管的工艺。后拉尾管工艺形成的圆封端如果不适合用于散热，就需要利用从所述圆封端往上的罩玻璃管筒形段进行散热。与所述筒形段相对应的热管或者内玻璃管尾端部分属于重叠冷端。

中国912050845实用新型电饭煲用自动磁性温控开关，介绍了一种利用热磁力换能元件工作原理。

发明内容

本发明的目的是要提供工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案：用工质高位集聚减压空晒保护翅板热管真空集热元件、绝热水箱或者联集盒、尾盒、支架和辅件，组成一台工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置。工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热元件用翅板热管真空集热元件和置于所述集热元件尾端真空隔热层内的空晒保护器组成。翅板热管真空集热元件由罩玻璃管和套装有翅板的内玻璃管同心嵌套布置封接制成。内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；翅板表面制作有吸收膜。所述集热元件垂直或者倾斜安装，所述热管依靠重力工作。所述空晒保护器由一个与所述热管热端传热连接的热力驱动器件、与热力驱动器件传动连接或者与热力驱动器件一体制造的传热直筒组成。所述空晒保护器具有两种稳定状态：传热直筒伸出传热连接罩玻璃管尾端时的开启导热状态；传热直筒缩回不传热连接罩玻璃管尾端时的关闭绝热状态。所述热力驱动器件包括热敏永磁钢驱动器件、双金属片驱动器件、记忆合金驱动器件、膜盒驱动器件之一。传热直筒与热管热端底端处采用一维移动副结构低热阻连接；或者传热直筒与一个热汇采用一维移动副结构低热阻连接，所述热汇与热管热端底端处低热阻连接；传热直筒可沿集热元件轴心线方向作前后移动；传热直筒的外端部形状与罩玻璃管尾端内表面相吻合；尾盒遮盖所述集热元件尾部。

在所述热管热端内部设置环形贮液槽状物工质吸持***件，环形贮液槽状物含有贮液空间或者环形贮液槽状物因为热管空间状态的改变而形成贮液空间；环形贮液槽状物离热管底端的间隔距离大于40毫米小于热管热端总长度的20%；并且环形贮液槽状物离太阳能集热元件尾端吸气剂镜面上沿口的平均垂直间隔距离大于20毫米；

或者，在所述热管热端内部底端设置短筒吸液芯工质吸持***件，短筒吸液芯沿热管内壁圆周向布置；短筒吸液芯离热管底端的间隔距离小于热管热端总长度的20%；所述短筒吸液芯的长度不超过90毫米；

或者，在所述热管热端内部设置一条宽度2至30毫米的细条毛细吸液芯工质吸持***件，所述细条毛细吸液芯的长度为热管热端长度的10至50%；细条毛细吸液芯的下端离热管底端的距离为0至200毫米；细条毛细吸液芯的面积小于所述热管热端内壁面积的5%；在集热元件上含有窥孔或者标记；

或者，在所述热管热端内部设置一个由若干条宽度2至10毫米的细条毛细吸液芯组成的稀疏芯网工质吸持***件，稀疏芯网的面积小于所述热管热端内壁面积的5%。

还可以令所述罩玻璃管尾端内表面低热阻连接一个散热贴片；散热贴片与传热直筒的传热状态根据热力驱动器件的状态改变而改变。

还可以令传热直筒含有一段扩径段，扩径段的外端部的形状与罩玻璃管尾端内表面的相吻合。

还可以令所述热力驱动器件为由一块热敏永磁钢和一块软铁构成的热敏永磁钢驱动器件；热敏永磁钢通过一块热导与热管热端低热阻连接；软铁受约束可沿集热元件轴心线方向作前后移动并通过传动钢丝与传热直筒传动连接。

还可以令所述稀疏芯网由若干个与热管内壁同心配合连接的细条毛细吸液芯环构成。

还可以令：在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下：所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%；

或者，所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网最大液态工质持有量≥4毫升；在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤0.9毫升。

还可以令所述集热元件尾端为自集热元件尾端底部外表面起往前不超过集热元件总长度6%的部分。

本发明的有益效果：本发明减压空晒保护翅板热管真空集热装置采用在热管底端处散热来收集液态工质于热管热端底端处、阻断热管内部两相流换热的空晒保护设计，散热功率可以大大减小。举例：一支输出70瓦的集热元件，工质充装量3毫升。采用在热管热端表面均布可控传热通道散热来防止热管空晒蠕变失效的技术方案，可控传热通道的散热功率为40瓦，热管内部温度还有150℃以上，相应的水蒸汽压力仍可达5个大气压，超出外径30毫米壁厚1.6毫米玻璃管的耐压能力。本发明对于同样输出70瓦的集热元件，减压空晒保护传热通道只需10瓦散热功率，就可以在空晒发生时以0.25毫升/分钟的速率来吸收热管内部的水。空晒开始约6分钟后，其时虽然热管表面的温度从空晒保护开始时的95℃升高至约115℃，但热管热端内部除底端处都已经干涸、蒸汽压已经小于1.5个大气压，即热管已经受到保护处于安全状态。节省30瓦的散热功率令成本有较大削减，减少传热通道对真空隔热层的放气75%、并且可靠性大幅度提高。关键是能有效解决玻璃热管的空晒保护问题。本发明采用一个小功率空晒保护器就可保证热管内部水蒸汽压力始终不超过2个大气压，并且完全不影响集热元件的正常工作。

传热直筒传热面积大、刚性强、利用集热元件底端构建传热通道对集热元件的吸收资源占用少。采用带有扩径段的传热直筒，为直径较细的铜热管与直径较粗的罩玻璃管之间的充分传热提供了一个合适的解决方案。

热敏永磁钢驱动器件一致性好、重复性好、控制精度高、使用寿命长、性能令人满意。

在所述玻璃热管内部设置稀疏芯网或者在所述玻璃热管热端内部底端处设置环形贮液槽状物或者短筒吸液芯或者细条毛细吸液芯，当太阳落山时，所述玻璃热管逆向工作：与加热负荷低热阻连接的原热管冷端内表面的液态工质蒸发并在原热管热端内表面凝结，当原热管热端内表面液态工质集聚较多而向下流淌到达稀疏芯网或者环形贮液槽状物或者细条毛细吸液芯或者短筒吸液芯时被吸持截留从而抬高了工质的位置。第二天太阳出来时，热管热端一旦受热，被吸持截液的液态工质迅速蒸发并参与两相流换热。进一步分析可知：由于采用了稀疏芯网、环形贮液槽状物、短筒吸液芯和细条毛细吸液芯，成十倍增加了吸热面积，与仅仅依靠玻璃管壁从被吸气剂镜面包围的玻璃管上方吸取热能的光管玻璃热管相比，大幅度增加了启动阶段工质的加热功率。冬季，热管启动过程从原来光管的140多分钟缩短至10至30分钟，相当于集热装置冬季每天多集热一个多小时。白天集热元件正常工作时，由于环形贮液槽状物离热管热端底端只有45毫米，这45毫米段即使干涸相关的吸收膜吸收的太阳热能也可以通过玻璃管向环形贮液槽状物的传热来有效参与换热。其他的工质吸持***件在热管正常工作时也可以不持有或者很少持有液态工质。这样就不存在因为使用工质吸持***件而增加或者较多地增加工质充装量的问题，从而既最大限度加快热管启动；又使空晒时玻璃热管内部的压力保持低位。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一个减压空晒保护翅板热管真空集热装置复合结构示意图。

图2是一支倾斜安置的光管结构重力热管结构示意图。

图中1.热管；2.罩玻璃管；3.翅板；4.内玻璃管；5.传热直筒；6.热敏永磁钢；7.软铁；8.热导；9.传动钢丝；10.弹簧；11.扩径段；12.外端部；13.短筒吸液芯；14.绝热水箱；15.尾盒。

具体实施方式

图1给出本发明一个实施例。

图1中，用工质高位集聚减压空晒保护翅板热管真空集热元件、绝热水箱14和尾盒15组成一台工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置。工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热元件通过在一支翅板热管真空集热元件罩玻璃管2尾端与热管1尾端之间的真空隔热层内，设置一个嵌入式直筒热管真空集热元件减压空晒保护器组成。翅板热管真空集热元件由罩玻璃管2和套装有翅板3的内玻璃管4同心嵌套布置封接制成；内玻璃管4自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；翅板3表面制作有吸收膜。所述空晒保护器由热敏永磁钢驱动器件和传热直筒5组成。热敏永磁钢驱动器件包括一块热敏永磁钢6和一块软铁7；热敏永磁钢6通过热导8与热管1热端低热阻连接。需要时，在热敏永磁钢6上面设置遮光板防止太阳光直射在处于真空隔热层中的热敏永磁钢6使其误动作。热导解决了热敏永磁钢6与热管1之间接触传热热阻大的问题。软铁7受约束可沿集热元件轴心线方向作前后移动并通过传动钢丝9与传热直筒5传动连接，软铁7受弹簧10推力作用被推离永磁钢6或者具有被推离永磁钢6的趋势。传热直筒5可用厚度0.22毫米的板材制作，传热直筒5带有一段扩径段11，扩径段11的外端部12的形状与罩玻璃管2尾端内表面的相吻合。传热直筒5与热管1热端底端处采用一维移动副结构低热阻连接，传热直筒5可以沿热管1轴心线方向作伸出缩回前后移动。尾盒15遮盖所述集热元件尾部。

在热管1热端内部底端设置短筒吸液芯13，短筒吸液芯13沿热管1内壁圆周向布置；短筒吸液芯13离热管底端的间隔距离45毫米；短筒吸液芯13采用玻璃纤维制作，长度50毫米，用卡簧压贴于热管1内壁。

图1实施例的工作原理：当嵌入安装有所述减压空晒保护器的集热元件正常倾斜布置且不处于空晒状态时，与热管1低热阻连接的热敏永磁钢6温度达不到失磁温度，热敏永磁钢6吸住软铁7将传热直筒5往左拉，使传热直筒5不接触罩玻璃管2尾端，空晒保护器处于关闭绝热状态。集热元件可正常集热。

当集热元件处于空晒状态时，热敏永磁钢6温度升高磁力消失，弹簧10将软铁7和传热直筒5推向右面，使传热直筒5伸出传热连接罩玻璃管2尾端，空晒保护器处于开启导热状态。热管1热端的热能通过空晒保护器源源不断散失到环境。热管1内部的蒸汽在压差作用下流向底端处凝结并集聚于底端处，钳制热管1内部压力始终处于低位，保证热管内部压力低位实现集热元件的空晒保护。

以后集热元件脱离空晒状态，热敏永磁钢6温度降低磁力恢复并吸引软铁7使传热直筒5缩回不传热连接罩玻璃管2尾端，空晒保护器处于关闭绝热状态，集热元件又可正常工作。

当图1实施例的集热元件作顺时针旋转约45度倾斜安装时，热管1能够依靠重力实现两相流循环换热，将太阳热能源源不断地通过冷端传递给加热负荷。热管1工作时，因为短筒吸液芯13可以不持有工质，所以，工质充装量不增加，有利于限制空晒时热管3内部饱和蒸汽压处于低水平。

当图1实施例的短筒吸液芯13能够在热管1不工作时大量吸持液态工质，提高原光管热管集聚于热管1底部的工质的位置。短筒吸液芯13离热管1底端间隔距离45毫米可使热管1启动时从上面和下面同时吸收太阳热能加速启动。

图1实施例中，热管1正常工作时允许其下面数十毫米段干涸或者部分干涸所以短筒吸液芯13在热管1工作时常常不持有工质。太阳落山时，热管1冷端内表面的凝结水蒸发，包括这部分工质在内的所有工质全部或者绝大部分工质被短筒吸液芯13吸持。

图1实施例对于罩玻璃管2直径70的翅板热管真空集热元件，不采用在罩玻璃管尾端内壁设置散热贴片和不在热管1热端与传热直筒5之间设置热汇，所述空晒保护器的散热功率也可以达到10瓦以上。

将图1的热敏永磁钢驱动器件改为双金属片热力驱动器件、或者改为记忆合金驱动器件、或者改为膜盒驱动器件也可以实现空晒时使传热直筒5伸出传热连接，将工质锁定在热管1热端底端处实现热管1内部减压的空晒保护机制。

Claims (6)

1.工质高位集聚减压空晒保护金属热管真空集热装置，由工质高位集聚减压空晒保护翅板热管真空集热元件、绝热水箱或者联集盒、尾盒、支架和辅件组成；工质高位集聚减压空晒保护翅板热管真空集热元件用翅板热管真空集热元件和置于所述集热元件尾端真空隔热层内的空晒保护器组成，翅板热管真空集热元件由罩玻璃管和套装有翅板的内玻璃管同心嵌套布置封接制成；内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；翅板表面制作有吸收膜；所述集热元件垂直或者倾斜安装，所述热管依靠重力工作，所述空晒保护器由一个与所述热管热端传热连接的热力驱动器件、与热力驱动器件传动连接或者与热力驱动器件一体制造的传热直筒组成，所述空晒保护器具有两种稳定状态：传热直筒伸出传热连接罩玻璃管尾端时的开启导热状态；传热直筒缩回不传热连接罩玻璃管尾端时的关闭绝热状态，其特征是传热直筒与热管热端底端处采用一维移动副结构低热阻连接；传热直筒可沿集热元件轴心线方向作前后移动；传热直筒的外端部形状与罩玻璃管尾端内表面相吻合；尾盒遮盖所述集热元件尾部；

所述热力驱动器件为由一块热敏永磁钢和一块软铁构成的热敏永磁钢驱动器件；热敏永磁钢通过一块热导与热管热端低热阻连接；软铁受约束可沿集热元件轴心线方向作前后移动并通过传动钢丝与传热直筒传动连接；

在所述热管热端内部含有环形贮液槽状物工质吸持***件，环形贮液槽状物含有贮液空间或者环形贮液槽状物因为热管空间状态的改变而形成贮液空间；环形贮液槽状物离热管底端的间隔距离大于40毫米小于热管热端总长度的20%；并且环形贮液槽状物离太阳能集热元件尾端吸气剂镜面上沿口的平均垂直间隔距离大于20毫米；

或者，在所述热管热端内部底端含有短筒吸液芯工质吸持***件，短筒吸液芯沿热管内壁圆周向布置；短筒吸液芯离热管底端的间隔距离小于热管热端总长度的20%；所述短筒吸液芯的长度不超过90毫米；

或者，在所述热管热端内部含有一条宽度2至30毫米的细条毛细吸液芯工质吸持***件，所述细条毛细吸液芯的长度为热管热端长度的10至50%；细条毛细吸液芯的下端离热管底端的距离为0至200毫米；细条毛细吸液芯的面积小于所述热管热端内壁面积的5%；在集热元件上含有窥孔或者标记；

或者，在所述热管热端内部含有一个由若干条宽度2至10毫米的细条毛细吸液芯组成的稀疏芯网工质吸持***件，稀疏芯网的面积小于所述热管热端内壁面积的5%。

2.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是所述罩玻璃管尾端内表面低热阻连接一个散热贴片；散热贴片与传热直筒的传热状态根据热力驱动器件的状态改变而改变。

3.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是传热直筒含有一段扩径段，扩径段的外端部的形状与罩玻璃管尾端内表面的相吻合。

4.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是所述稀疏芯网由若干个与热管内壁同心配合连接的细条毛细吸液芯环构成。

5.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是：在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下：所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%；

或者，所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网最大液态工质持有量≥4毫升；在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤0.9毫升。

6.按照权利要求1所述的集热装置，其特征是所述集热元件尾端为自集热元件尾端底部外表面起往前不超过集热元件总长度6%的部分。